非易失性存储器(NVS)

什么是非易失性存储(NVS)?

非易失性存储(NVS)是一种广泛的技术和设备的集合，它不需要持续的电源供应来在短期或长期的基础上持久地保存数据或程序代码。

非易失性存储技术和设备在传输和检索数据的方式和速度上有很大的不同，无论是与应用程序通信，微处理器或其他类型的设备。它们在成本、容量、持久性和延迟方面也有很大的不同。

非易失性存储器通常分为以下两种系统类型:

• 电系统解决。这些NVM系统使用电气机制来编写(写)和读取数据。电寻址系统包括闪存，只读存储器(罗)和ROM变体。
• 机械系统来解决。这些NVM系统使用一个磁头来写入和读取数据磁存储媒体．机械寻址系统包括硬盘驱动器(hdd),磁带驱动器．

目前大多数固态硬盘(ssd)配备有NAND闪存芯片。SSD被认为是电寻址系统，因为它使用电机制写入和读取数据。因此，SSD可以提供比机械寻址系统(如HDD)更快的速度和更低的延迟。然而，在基于闪存的SSD中存储数据的每字节价格通常高于硬盘驱动器或磁带驱动器的每字节成本。此外，闪存ssd在耗尽之前只能维持有限的写周期。

什么是非易失性存储的例子?

持久存储数据的NVS设备的三个常见例子是磁带驱动器、hdd和ssd。非易失性存储器还适用于在ssd、hdd、磁带驱动器和存储模块等设备中存储数据或控制器程序代码的半导体芯片。

许多类型的非易失性存储芯片目前正在使用。例如，企业和个人计算机系统中的ssd通常使用NAND闪存芯片来存储数据。这些芯片也被用于u盘和记忆卡在移动电话和数码相机等消费设备中。也没有闪存芯片通常在存储驱动器和个人电子设备中存储控制器代码。

易失性与非易失性存储设备

两者的关键区别挥发性非易失性存储设备是指它们是否能够在没有电源的情况下保留数据。易失性存储设备在断电或断电时会丢失数据。相比之下，非易失性器件能够保留数据，不管电源的状态如何。

常见的易失性存储器包括静态随机存取存储器(静态存储器)及动态随机存取存储器(动态随机存取记忆体)．制造商可能会向易失性存储设备添加电池电源，使其能够持久存储数据或控制器代码，但如果电池故障或被移除，数据仍然会丢失。

企业和消费者计算系统经常混合使用易失性和非易失性存储技术，每种存储类型都有优缺点。例如，SRAM比DRAM快，非常适合高速缓存，但它的制造成本很高。与SRAM相比，DRAM的生产成本更低，所需能量也更少，而且制造商经常使用它来存储计算机为了有效运行而需要立即访问的程序代码。

相比之下，hdd和ssd等非易失性存储器比SRAM和DRAM慢，但生产成本更低。制造商通常使用NAND闪存在业务系统和消费设备中持久存储数据。存储设备(如基于闪存的ssd)在块级访问数据，而SRAM和DRAM支持在字节级访问随机数据。

与NAND类似，NOR flash的生产成本比易失性SRAM和DRAM更低。NOR闪存的成本高于NAND闪存，但它读取数据的速度比NAND快，这使得它成为引导消费者和嵌入式设备以及在ssd、hdd和磁带驱动器中存储控制器代码的常见选择。NOR flash通常不用于长期的数据存储，因为它的持久性较差。

趋势和未来方向

制造商正在研究其他类型的非易失性存储器，试图降低每位存储数据和程序代码的成本，提高性能，增加耐力水平和降低功耗。

例如，制造商发展起来3 d NAND闪存该技术是为了响应二维或平面NAND闪存的物理伸缩限制。3D NAND可以通过垂直堆叠存储单元，而不是使用单层存储单元，以更低的成本提供更高的密度。

多年来，制造商也一直在增加NAND闪存中每个单元的比特数。

• 单层细胞(SLC)．每个单元格只包含一位。这种配置是最快、最持久和最不容易出错的。它也是最贵的。然而，对于任务关键型工作负载来说，这个价格可能是值得的。
• 多层细胞(多层陶瓷)．每个单元格只包含两位，即使名称表明不是这样。MLC设备不像SLC存储那样快速、可靠或耐用，但它们更便宜，非常适合许多类型的企业工作负载。MLC设备使标准的笔记本电脑和台式电脑开始合并ssd成为可能，它们仍然广泛地用于商业计算机。
• Triple-level细胞(薄层色谱)．每个单元格包含三位。TLC技术进一步牺牲了速度、可靠性和耐久性，但它也增加了密度，降低了每g字节的存储成本。TLC设备现在是消费系统中使用的主要SSD存储类型。它们也被用于许多业务系统和数据中心，而不是MLC存储。
• Quad-level细胞(QLC)．每个单元格包含4位。再一次，额外的比特影响速度、可靠性和耐久性，但它们也使SSD存储更便宜。然而，由于耐久性问题，QLC设备通常更适合读密集型工作负载，如分析、视频流或大数据分析。

通过增加每个单元的比特数，基于闪存的ssd可以存储更多数据，从而降低价格，降低功耗和更小的占用空间。多单元配置还与3D NAND结合使用，以进一步提高容量。此外，制造商正在积极研究五电平电池(PLC)闪存技术，这种技术每个电池压缩5位，尽管PLC设备可能还需要几年的时间才能上市。

制造商们也一直在研究存储解决方案，以弥补传统易失性系统内存和基于闪存的ssd之间的差距，在存储层次结构中提供额外的一层。最引人注目的努力是3 d XPoint3D XPoint与NAND闪存技术相比，具有更高的吞吐量、更低的延迟、更大的密度和更高的续航能力。

英特尔是第一家提供基于3D XPoint的产品的公司，其品牌名为Optane，其中包括一系列用于数据中心的ssd和持久内存模块。持久内存模块也称为存储类内存。

非易失性内存快车(NVMe)技术也被证明是存储行业的游戏规则改变者。NVMe可以将基于闪存的ssd直接连接到计算机的PCI Express (作为PCIe)总线，而不是通过串行连接SCSI (情景应用程序)或串行ATA (萨塔)接口。这些较老的技术是针对较慢的hdd而构建的，不能充分利用SSD的功能。NVMe还可以与Optane ssd等新选项结合使用，进一步提高性能，减少延迟和功耗。

NVMe提供了更精简的命令集来处理输入/输出(I / O)请求与基于pcie的ssd比小型计算机系统接口(SCSI)命令集使用SAS驱动器或模拟电话适配器(ATA)命令集对SATA驱动器执行。

NVMe的成功导致了NVMe over Fabrics (NVMe-oF)，创建该规范是为了支持在ssd和其他系统之间通过网络结构传输数据时使用NVMe命令集以太网，光纤通道或InfiniBand．根据NVM表达公司。， 90%的NVMe- of协议与基本NVMe相同。

目前正在开发或有限使用的新兴非易失性存储技术包括相变存储器(脉码调制)、铁电随机存储器(FRAM或FeRAM)、磁阻随机存储器(MRAM)、电阻式随机存取存储器(RRAM或ReRAM)和自旋转移扭矩磁阻RAM (STT-MRAM或STT-RAM)。